煤岩多孔材料的显微结构特征和吸附性研究

论文摘要

本论文把煤作为一种特殊的多孔材料和吸附材料,对煤层的显微结构进行系统研究及其气体吸附性初步探讨,对认识煤的储气特征,掌握煤与瓦斯吸附放散特性,加强煤矿瓦斯治理,提高煤矿开采安全及提高对煤层气藏规律的认识,为煤层气探勘开发方面的技术进步奠定理论基础,具有重大理论和现实意义。基于前人在煤结构方面的研究工作,论文中对山西和顺的TC、ZB、CG、XDD四个矿区采集的33个煤样进行了偏光镜分析、扫描电镜分析、能谱分析、红外分析等。开展山西和顺地区煤岩的微观结构特征以及煤岩吸附煤层气的机理研究。从煤的孔隙、裂隙结构特性等方面揭示了含煤层气煤作为一种孔隙裂隙双重介质的特征。它决定了煤的吸附容积和煤的储存性能。微孔存在于煤基质部分。煤中割理通常正交或近似正交,垂直或近似垂直于煤层面。煤具有极其发育的微孔隙,有很大的比表面积。测试数据表明,在光学显微镜下观察到的微孔的直径一般在0.005～1.5mm之间,原生孔、外生孔、矿物质孔个别较大的,一般在1～10mm之间。而在扫描电镜更大的倍数下能观察到更小的微气孔,常见单个气孔大小为0.05～3μm。部分微孔被粘土矿物充填,成分多为伊利石、高岭石、自生石英和其他矿物等。不同煤种的红外特征频率测试结果基本一致,但吸收峰的位置有所变化,图谱中,方向结构、脂肪结构和含氧官能团的结构成分吸收频率近于一致,最大区别就是在相对吸收强度上有所变化。吸收强度不同,代表相应基团数目的不同,分子结构存在很大差异。煤的大分子结构中,分子组成十分复杂,煤层气气体在煤内表面的吸附是物理吸附,红外分析的结果表面煤岩内含大量有机质,煤的大分子结构里有各种官能团,这些官能团能与煤层气中的气体发生吸附。吸附的本质是煤表面分子和煤层气气体分子之间相互吸引的结果。比表面积的大小取决于微孔体积的大小分布的多少,与中孔的体积大小关系不明显。随后分析了煤的空隙结构与煤层气吸附性特征,孔隙平均直径越大,总比表面积越小,孔隙平均直径越小,总比表面积越大。本论文总结了煤看作特殊多孔吸附材料在特殊环境下吸附气的影响因素,并分析了实验室建立实验模型的可行性和必要性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 课题的提出
• 1.1.1 研究起源
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 煤的结构研究方法
• 1.2.2 关于煤的空隙和裂缝分类
• 1.2.3 煤吸附研究现状
• 1.3 煤吸附性研究的意义
• 1.3.1 开发煤层气方面
• 1.3.2 在矿井安全生产方面
• 1.3.3 在环保上
• 1.3.4 在孔结构研究方面
• 1.4 本文的研究内容与方案
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方案
• 第2章 煤岩基本特征分析
• 2.1 煤的形成及分级
• 2.1.1 煤的形成机制
• 2.1.2 成岩过程中显微组分的形成
• 2.1.3 煤岩显微测试与分析
• 2.2 偏光镜镜像分析
• 2.2.1 薄片的制备
• 2.2.2 偏光显微镜观察结果
• 2.3 煤岩孔隙结构的扫描电镜分析
• 2.3.1 煤微孔分类和裂隙类型
• 2.3.2 实验结果图片分析
• 2.4 孔隙填充物的能谱分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 煤样的傅立叶红外光谱分析
• 3.1 红外光谱在分析煤结构中的应用
• 3.1.1 一般原理
• 3.1.2 官能团的红外特征峰
• 3.1.3 煤化学结构模型及其发展
• 3.2 煤的傅立叶红外光谱分析
• 3.2.1 实验仪器
• 3.2.2 实验过程
• 3.3 实验结果分析与讨论
• 3.3.1 煤分子中各基团的归属
• 3.3.2 图谱分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 煤的吸附特性讨论
• 4.1 煤的孔隙结构与吸附性
• 4.1.1 煤吸附瓦斯的本质
• 4.1.2 煤的孔隙性与吸附性
• 4.2 煤的分子结构与吸附性
• 4.2.1 煤的吸附力
• 4.2.2 多层吸附
• 4.3 煤样的低温氮气吸附实验
• 4.3.1 影响因素
• 4.3.2 吸附等温线表达式
• 4.3.3 吸附曲线类型吸附实验结果
• 4.4 煤高压等温吸附理论方法与不足
• 4.4.1 高压下试验标准
• 4.4.2 高压下理论试验方法的不足
• 4.5 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果